生态系统可持续性的战略性土地管理：来自东北黑土区的情景启示

研究背景

近年来，随着人类活动和气候变化的加剧，生态系统退化问题日益严重，这些变化也深刻影响了生态系统服务的供应能力。量化和评估生态系统服务的变化和相互作用有助于我们了解其现状和机制，指导生态系统服务管理。生态系统受到多重复杂因素的驱动。分析 LUCC 对生态系统服务的影响对于维持区域生态系统服务水平至关重要。在评估生态系统服务时，为一个或多个被分析的生态系统服务确定分析的空间和时间尺度通常是有利的。对于植被覆盖率高、生态系统类型复杂的地区，流域作为具有自然地理边界的封闭单元可能是更合适的尺度。东北黑土区约占全球黑土区总面积的 12%，生态系统多样，森林、草原和湿地资源丰富，是黑土形成和演化的物质基础。黑土层变薄、水土流失和土壤退化已成为制约该地区农业可持续发展的重要问题。生态保护与粮食生产之间的平衡一直是该地区决策者关注的焦点。因此，通过合理的生态保护和土地管理措施，可以实现农业生产的可持续发展，确保粮食安全和生态环境的双赢。

本研究提出了一个研究框架（图1），利用土地利用变化模拟技术和空间定量工具，分析土地利用变化对农业生产区 NBSR 中生态系统的影响。进一步分析了主要流域尺度上生态系统之间的权衡和协同作用。在 LUCC 模拟中纳入了 2030 年的气候情景，以便深入了解未来的 LUCC 模式。具体而言，该研究将：1）利用Markov-Flus model，模拟自然增长（NI）、耕地保护（CP）和可持续发展（SD）三种情景下的 2030 年土地利用变化趋势；2）利用 InVEST 模型量化 2000-2020 年 NBSR 中的六种生态系统服务功能，分析生态系统服务供给能力的变化以及权衡/协同关系；3）基于土地利用模拟数据和 2030 年气候情景数据，预测不同情景下生态系统服务功能的变化；以及 4）基于土地利用转移矩阵（LUTM）和生态系统服务指数（ESI），识别土地利用变化对生态系统服务功能的影响。

图1 研究框架图

材料与方法

图2 研究区域位置

结果

土地利用转移

20年间耕地流出量最大，达 22012 平方公里。在草地向其他土地类型的转移中，向耕地转移的面积最大（图 3），达 6057 平方公里（60.62%）。在所有流转的土地利用类型中，面积最大的是 27030 平方公里的耕地，主要来自林地（43.04%）。这一动态反映了农业扩张带来的重大土地转换，自然生态系统正逐渐转变为耕地，并可能对区域生态系统服务产生深远影响。

图3 2000 至 2020 年 NBSR 土地利用类型转移矩阵

2030 年的土地利用模式及其在不同情景下的变化

本研究使用 Flus 模型预测了 2030 年的土地利用空间分布模式。卡帕系数为 0.79（>75%），FOM 为 0.25，表明整体准确性良好。在此基础上，我们进一步预测了 2030 年不同情景下的土地利用分布模式（图 4）。

图4 基于 Flus 模型的 2030 年各方案（NI、CP、SD）土地利用类型预测

总体而言，在不同情景下，NBSR土地利用的空间分布具有一致性，但也存在一些差异（图 5）。在所有三种情景中，林地占总面积的比例最大，但森林、水域和荒地面积与 2020 年的水平相比都有不同程度的减少。在 NI 情景下，耕地面积继续扩大，但增速放缓，而水域面积下降最为显著。在 CP 情景下，受耕地保护政策的影响，耕地面积增加最多（1.67%），达到 309 246 平方公里。然而，与其他情景相比，建成区的面积也大大增加，约增加了 3000 平方公里。在城市化的土地利用趋势不变的情况下，由于耕地和建设用地向其他土地利用类型转移的概率降低，导致草地和荒地等生态用地面积减少，因此草地和荒地的增长率较低。与 2020 年相比，在可持续发展情景下，生态用地面积最大的两类是林地（461867 平方公里）和水域（16256 平方公里），荒地面积最小（58676 平方公里）。

图5 2000 年至 2030 年 NBSR 土地利用类型弦状图

NBSR 生态系统服务的变化

从空间上看，CS 分布的特点是西部低值，东部高值（图6），高值区与草原和森林区基本重叠。HQ 的高值区集中在 GKMR、LKMR 和 GBMR 等山区。WY 呈梯度分布，从东部沿海地区的高值区到内蒙古内陆地区的低值区。CS 和 SDR 的空间模式非常相似，都是中部平原地区数值低，山区数值高，研究区东部的SJP的网站地区数值最低。SHDI 在空间上呈现出中部平原地区数值高、周边山区数值低的格局。总体而言，2000 年至 2020 年间，NBSR 的 ES 水平逐步提高，ESI 指数也反映了这一点，表明了 ES 的总体表现。研究期间的 ES 水平介于 0 到 0.6925 之间（图 7）。

图6 2000 至 2020 年 NBSR 中各种 ES 的时空分布差异

图7 2000 至 2020 年 NBSR 生态系统服务指数 (ESI) 的差异

2030年各种情景下的 ES 预测值

图 8 显示了三种模拟情景下，六种生态系统服务和生态系统服务在整个NBSR地区的空间分布情况。从 2000 年到 2020 年， NBSR地区的生态系统服务在空间上发生了不均衡的变化。这些变化主要集中在山区和受人类活动影响较大的地区（图 9b）。与 2020 年相比，在 NI、CP 和 SD 情景下，所有六个 ES 都有所增加，其中 FP、HQ 和 SDR 的变化最为显著（>40%）。在其他两个非 NI 情景中，CP 情景的 FP 高于其他两个情景，部分原因在于耕地保护政策下的情景设置；SD 情景拥有最高的 HQ、WY、SDR 和 LD，该情景在保护生态用地方面的成效体现在上述四项服务中。

图8 2020年各种情景的ESs值

图9 2030 各种方案下的 ESI 值及其变化

2000 至 2030 年 LUCC 对 ES 的影响

如图 10a 所示，大多数 ES 之间存在协同作用，有 14 个显著相关（p < 0.05），其中 5 对 ES 存在权衡作用（p < 0），9 对 ES 存在协同作用（p > 0）。在这 30 年间，FP 和其他 ES 呈现出权衡关系，但不同 ES 对之间权衡关系强度的变化各不相同。综合 2030 年的预测结果显示，与 2020 年相比，所有情景下与 FP 相关的成对环境服务之间的权衡都有所下降，这归因于 NBSR 长期以来的黑土保护政策。然而，总体而言，2000-2030 年期间，NBSR区域生态系统之间的互动协调呈下降趋势，这一点在空间分析中尤为明显。从 2000 年到 2020 年，各类生态系统协同束的数量和面积逐渐减少（图 10 b）。在 2030 年的各种情景中，可持续发展情景中各 ES 之间的空间一致性最强，并依次高于可持续发展情景和自然增长情景。

图10 2000 年至 2030 年生态系统服务权衡/协同作用的空间和时间变化

LUCC 对 ESI 变化的影响

图 11a 展示了三种情景下 NBSR 的土地利用变化强度图，不同情景下的转变强度存在差异。例如，在 NI 情景中，耕地→林地（表示耕地向林地的转化，后同）等呈现绝对倾向性转化特征。林地→建设用地等则呈现出系统抑制型转变特征。这些变化规律与中国土地制度变迁的一般规律是一致的。与 NI 情景相比，CP 情景下的转化强度变化较小，仅表现为耕地→草地的转化强度变化；而从 CP 情景到 SD 情景，主要变化为建设用地→草地的转化特征由相对趋向变为系统抑制，荒地→林地的转化特征由系统抑制变为相对趋向，林地→耕地的转化特征由绝对趋向变为系统趋向。比较 30 年间 ES 的增加量，可见，当非生态用地类型→生态用地类型的趋势增加或生态用地类型→非生态用地类型的抑制作用增加时，ESI 水平会增加。结果如图 11b 所示。在所有情景中，土地利用变化对 ESI 都有显著影响（p < 0.001），各种土地利用变化对 ESI 的影响存在明显差异。

图11 土地利用类型变化对生态系统服务指数 (ESI) 的影响

讨论

LUCC 对生态系统服务和协同作用的影响。

在过去二十年中，NBSR的土地利用发生了重大变化，从自然森林和草原生态系统转变为以人类为主的农田生态系统。土地利用模式的变化也会通过改变景观组成和配置来影响生态系统服务。在这 20 年中，NBSR的生态系统服务水平总体上有所提高。这一趋势可部分归功于中国政府的 “绿色粮食计划”，该计划将部分耕地转化为森林或草地，林地减少速度的减缓和草地面积的增加有效缓解了植被覆盖率的下降。这也增强了生态系统的景观多样性、资源供应、碳储存和水调节能力。在 2000-2010 年期间，主要由于自然和人为因素的共同作用，很大一部分草地被转化为荒地。草地的减少通常会对生态系统服务产生负面影响，增加土壤侵蚀，降低土壤肥力和含水量，从而降低 WY 和 SDR。因此，土地利用的变化会极大地影响 ESs 水平（图 11）。此外，土地利用变化的直接影响还包括生态系统服务的权衡和协同作用。因此，通过科学的土地管理和生态保护措施，可以平衡粮食安全和生态保护，促进生态系统服务之间的协同作用，减少负面权衡，确保生态系统的可持续发展。

不同发展方案对生态系统服务的影响

在农业区，森林、草地和水体等生态用地在支持生态系统服务方面的作用也很关键。比较这三种情景，生态系统服务之间的权衡和协同作用明显不同。在可持续发展方案中，各生态系统之间的空间协调性最强，依次高于可持续发展方案和自然保护方案。此外，生态用地的保护导致 WY 和 SDR 的增加。然而，农业生产或城市发展用地的减少也导致了两个 ES 组合的最大权衡：FP-WY 和 FP-SDR。我们的研究进一步验证了森林变化对这三个生态系统的重大影响。除了土地利用类型的变化，土地利用强度也是影响生态系统服务的一个重要因素（图 11）。生态用地对黑土地保护具有积极影响，可有效保护土壤质量和水资源等。可持续发展情景优先保护生态耕地和优质耕地，减少草地退化和耕地扩张造成的破碎化和生态用地损失，加强生态系统的完整性和连通性。此外，该方案还调整了土地利用强度，遏制了建设用地的扩张，减轻了对生态区的压力。因此，可持续发展方案是 NBSR 的最佳土地利用战略。

对 NBSR 土地利用管理的启示

从实际应用和政策制定的角度来看，研究成果为区域土地管理和政策制定提供了重要依据。具体来说，第一，分区管理和差异化保护；二是农业生态用地综合治理；第三，创新生态补偿机制。

编者评

农业生态系统中人与环境的相互作用常常反映在土地利用的变化上。厘清农业生产地区土地利用与生态健康之间的矛盾对于实现农业可持续发展和维护生态系统服务至关重要。本研究选择粮食主产区东北黑土区，探讨 2000 年至 2030 年土地利用变化对生态系统服务的影响。结果表明，在这 30 年间，1）在任何模拟情景下，东北黑土区的生态系统服务水平总体上都呈上升趋势。2）土地利用类型之间的快速转换和林地面积的减少导致生态系统服务之间的协同作用减弱和权衡增加。3）在不同情景下，土地利用类型的转换和强度对生态系统服务水平有显著影响（p < 0.05）；建设用地的调出（0.1249）和水域面积的调入（0.1153）对生态系统服务水平的贡献更大。4) 可持续发展政策（SD 方案）下的土地利用模式强调生态用地保护，可有效提高生态系统服务水平。研究结果为未来土地利用规划和可持续生态系统管理提供了重要启示，有助于平衡区域粮食安全与生态保护。

阅读原文：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112784

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